Loi d'Ohm thermique

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Vous avez de nouveaux messages (diff^?).

La loi d'Ohm thermique permet de calculer la température de jonction Tj des éléments semi-conducteurs (diodes, transistors divers, thyristors, triacs...).
$T j = T a + P . R t h j a$
où Ta est la température ambiante, P la puissance dissipée dans l'élément semi-conducteur et Rthja la résistance thermique jonction-ambiance.

Transistor en boîtier plastique et refroidisseur adapté ; le transistor est accolé au refroidisseur grâce à la vis

Les éléments de puissance (diodes, transistors, thyristors) sont généralement montés sur des refroidisseurs, qui favorisent l'évacuation des calories produites. Dans ce cas, il est généralement prévu un isolant (feuille de mica, de plastique) de façon à isoler électriquement le semiconducteur du refroidisseur. Dans ce cas, la résistance thermique jonction-ambiance est la somme de 3 termes :

la résistance thermique jonction boîtier Rthjb ; celle-ci est donnée par le constructeur
la résistance thermique boîtier-refroidisseur Rthbr ; elle dépend de la présence ou non d'un isolant
la résistance thermique refroidisseur-ambiance Rthra; celle-ci dépend de la taille et du type de refroidisseur (simple plaque, refroidisseur à ailettes), de sa couleur (noire, argentée), de sa position (horizontale, verticale), de son refroidissement (convection naturelle ou forcée, circulation d'eau...)

[modifier] Quelques ordres de grandeur

Rthja pour des transistors utilisés sans refroidisseur : 500 °C/W pour boîtiers TO-18 (petit boîtier rond, métallique) et TO-92 (petit boîtier rond plastique), 200 pour TO-39 (boîtier moyen rond, métallique), 100 pour TO-126 (boîtier plat, plastique), 70 pour TO-220 (boîtier plat, plastique avec une patte cuivrée pour améliorer le transfert de calories, cf. le transistor de l'illustration), 40 pour TO-3 (boîtier métallique, type "soucoupe volante").
Rthjb pour des transistors utilisés avec refroidisseur : 175 °C/W pour TO-18, 150 pour TO-39, 5 pour TO-126, 2 pour TO-220, 1,5 pour TO-3.
Rthbr pour des transistor en boîtier TO-3 : 0,2 °C/W à sec, sans isolant ; 0,1 sans isolant mais avec graisse de silicone ; 0,4 avec isolant mica et graisse de silicone.
Rthra pour refroidisseur typique avec 8 ailettes de chaque côté et une longueur de 10cm : entre 1 et 1,75 °C/W selon la puissance dissipée, en convection naturelle ; la Rth peut descendre à 0,4 °C/W si l'on utilise une ventilation forcée.

[modifier] Exemples

[modifier] Exemple 1: température de la jonction en fonction du refroidisseur

Soit un régulateur de tension de 5 V délivrant au circuit qu'il alimente un courant de 2,5 A. La tension moyenne à l'entrée du régulateur vaut 8 V. Le régulateur est monté dans un boîtier TO-3, caractérisé par une résistance thermique d'1,5 °C/W ; il est monté sur un refroidisseur de Rthra de 5 °C/W et isolé électriquement par une feuille de mica, enduite de graisse de silicone ; la Rthbr est dans ce cas égale à 0,4°C/W. A quelle température la jonction du transistor de puissance du régulateur va-t-elle monter ?

Puissance dissipée dans le régulateur : I.(différence de potentiel entre l'entrée et la sortie du régulateur), soit 7,5 W.

La loi d'Ohm thermique donne donc Tj = Tamb + (Vout - Vin)* I * Rthja = 25 + 7,5.(1,5 + 0,4 + 5) = 76,75 °C.

[modifier] Exemple 2: dimensionnement d'un refroidisseur

Un régulateur de tension 5V fournit 1 A et est alimenté par une pile 7 V. La résistance thermique jonction-air (Rthja) est de 65 °C/W et la résistance thermique jonction boîtier (Rthjb) est de 5 °C/W. Le refroidisseur devra avoir une résistance thermique maximale de:
Rthra = (Tj - Ta) / P - Rthjb [°C/W]
En choisissant comme température maximale de jonction 100°C et comme température ambiente maximale 30°C, on trouve:
Rthra = (100°C - 30°C) / ((7V - 5V) * 1A) - 5°C/W = 30[°C/W]

[modifier] Remarques:

Souvent la puissance dissipée est due à l'effet Joule. Une chute de potentiel aux bornes d'une résistance (ou d'un élément qui se comporte de la même façon) provoque une dissipation de puissance:
$P = R \cdot I^2 [W]$